胱硫醚γ-裂解酶（CSE）通过调控神经发生和神经营养信号成为认知功能的关键守护者

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Cystathionine γ-lyase is a major regulator of cognitive function through neurotrophin signaling and neurogenesis

本研究通过遗传学、蛋白质组学、生物化学及行为学等多学科方法，首次证实胱硫醚γ-裂解酶（CSE）是维持大脑稳态的核心调控因子。CSE缺失会直接引发氧化损伤、破坏血脑屏障（BBB）完整性、损害海马神经发生和神经营养因子（如BDNF/CREB）信号通路，最终导致认知缺陷。该研究将CSE从外周酶提升为大脑健康的关键治疗靶点，为神经退行性疾病（如阿尔茨海默病AD）的干预提供了新视角。

　　

CSE Depletion Causes Premature Cognitive Impairment.

为确定CSE缺失是否直接导致认知障碍，研究人员对6月龄的CSE基因敲除（Cth^?/?）小鼠进行了行为学测试。Barnes迷宫实验结果显示，与野生型（WT）小鼠相比，Cth^?/?小鼠的空间学习和记忆能力显著受损。重要的是，这种缺陷并非由运动功能障碍所致，因为旷场实验显示两组小鼠的运动参数无显著差异。此外，Cth^?/?小鼠的体重、嗅觉和感觉运动功能均正常。值得注意的是，这种认知障碍并非先天存在，因为在2月龄的年轻Cth^?/?小鼠中并未观察到Barnes迷宫表现异常，表明认知缺陷是随年龄增长而出现的。进一步分析发现，尽管大脑半胱氨酸和谷胱甘肽（GSH）水平在基因型间无差异，但Cth^?/?小鼠血浆中的同型半胱氨酸水平显著升高。同时，其他硫化氢（H₂S）生成酶（如CBS和3-MST）的表达并未出现代偿性变化。这些数据表明，单独缺失CSE就是以诱发早发性、年龄相关的认知缺陷。

Global Proteomics of the Cth^?/?Hippocampus.

为了解CSE缺失对大脑的全面影响，研究人员对6月龄Cth^?/?小鼠及其WT同窝小鼠的海马体进行了全局蛋白质组学分析。共鉴定出7,203种蛋白质，其中约800-900种蛋白质的表达水平发生显著改变。基因本体（GO）分析显示，受CSE缺失影响最显著的生物学过程是转运，最显著的细胞组分是突触蛋白。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析则突出了与神经退行性和活性氧（ROS）相关通路的扰动。值得关注的个体蛋白变化包括铁稳态相关蛋白（如Hebp1、Ftl1、Tfrc）的改变，以及DNA损伤和氧化还原失衡标志物（如H2AX、SOD1、Nnt）的升高。此外，还观察到与人类阿尔茨海默病（AD）中类似的谷氨酸稳态和突触蛋白失调，如囊泡谷氨酸转运体1（VGLUT1/Slc17a7）和突触小环蛋白-1（Syngr1）水平降低。轴突导向和神经元定位蛋白（如Sema3e和Dab1）的水平也显著降低。指示血脑屏障（BBB）功能障碍的标志物，如CD34减少和免疫球蛋白G重链（Ighg）在脑实质中的增加，也出现在Cth^?/?小鼠中。这些变化共同重叠了AD神经退行性的蛋白质组学特征。

CSE Deficiency Triggers Oxidative Stress in the Brain.

基于蛋白质组学结果以及已知的S-硫巯基化在限制氧化损伤中的作用，研究人员测试了CSE缺失大脑中的氧化应激水平。免疫荧光染色显示，在6-7月龄Cth^?/?小鼠的海马各区（CA1、齿状回DG、CA3）中，脂质过氧化的神经毒性产物4-羟基-2-壬烯醛（4-HNE）显著升高。通过测量丙二醛（MDA）水平进一步定量脂质过氧化，发现Cth^?/?小鼠海马中的MDA水平显著高于WT小鼠。此外，使用2,4-二硝基苯肼（DNPH）评估的蛋白质羰基化水平在Cth^?/?小鼠中也升高了。与氧化还原状态紊乱一致，抗氧化酶过氧化氢酶1和超氧化物歧化酶1（SOD1）的水平在Cth^?/?小鼠中升高，这可能是对 heightened oxidative stress 的补偿性反应。

CSE Depletion Elevates DNA Damage in the Brain.

由于氧化应激会诱导DNA损伤，而DNA损伤与神经退行性变相关，研究人员评估了Cth^?/?小鼠海马中的DNA损伤情况。免疫染色显示，与WT小鼠相比，6-7月龄Cth^?/?小鼠中8-羟基-2'-脱氧鸟苷（8-OHdG，一种氧化鸟苷衍生物）显著升高。此外，组蛋白H2AX的磷酸化形式（γ-H2AX，DNA双链断裂的标志物，随衰老而增加）的水平在Cth^?/?小鼠海马中也显著高于WT小鼠，证实了DNA损伤的增加。

Loss of CSE Disrupts Iron Homeostasis in the Brain.

虽然低水平的铁对大脑的各种生理过程至关重要，但过量的铁积累具有神经毒性。值得注意的是，H₂S信号及其代谢物与铁稳态密切相关。由于蛋白质组学提示铁相关蛋白发生改变，研究人员评估了Cth^?/?小鼠海马中的铁稳态。铁稳态蛋白Hebp1在CSE敲除小鼠海马中显著增加，Western blot验证显示其增加了约五倍。此外，Cth^?/?小鼠大脑中铁蛋白（Ftl，大脑中结合铁的主要细胞内蛋白）水平升高，而转铁蛋白受体（Tfrc，介导铁进入细胞的蛋白）水平降低。这些发现表明，在CSE缺失后，为限制铁摄入的补偿机制被激活。最后，Perls染色证实了Cth^?/?小鼠中铁沉积增加。这些发现共同表明CSE缺失导致铁处理紊乱和积累。

CSE Depletion Impairs Blood–Brain Barrier Integrity.

血脑屏障（BBB）破坏是认知能力下降的早期生物标志物。透射电子显微镜（TEM）观察显示，在Cth^?/?小鼠的海马毛细血管中，内皮细胞频繁出现断裂、BBB被破坏以及星形胶质细胞终足受损，而这些特征在WT小鼠中不存在。除了海马区，Cth^?/?小鼠皮层也表现出星形胶质细胞终足肿胀增加。与结构破坏一致，Western blot分析和免疫组织化学显示，Cth^?/?小鼠脑实质中外周免疫球蛋白G（IgG）浸润增加，表明BBB功能受损。进一步研究发现，Cth^?/?小鼠中BBB内皮细胞的周细胞覆盖率显著降低。因此，CSE的缺失损害了BBB的完整性。

CSE Deficiency Impairs Postnatal Hippocampal Neurogenesis.

由于Cth^?/?小鼠表现出认知缺陷，研究人员评估了海马神经发生，这是海马可塑性的关键过程，驱动学习和记忆。未成熟神经元的标志物在Cth^?/?小鼠海马中显著减少。双皮质素（DCX，在迁移和分化神经元中表达的微管相关蛋白）的表达在Cth^?/?小鼠中显著降低。同样标记未成熟神经元的多唾液酸神经细胞粘附分子（PSA-NCAM）也减少了，并且DCX⁺PSA-NCAM⁺细胞的数量在Cth^?/?小鼠中显著降低。研究人员进一步检测了Cth^?/?小鼠中神经祖细胞的数量。Ki67（存在于活跃分裂的细胞中）和SOX2（调节神经干细胞多能性的转录因子）的表达在6月龄Cth^?/?小鼠海马中均显著降低，表明神经干细胞增殖减少。与这些发现一致，通过5-溴-2'-脱氧尿苷（BrdU）标记评估的新生海马神经元存活率受损，反映了成年海马神经发生（AHN）受损。为了评估神经发生损伤是否在Cth^?/?小鼠生命更早时期出现，研究人员检测了2月龄年轻Cth^?/?小鼠的神经发生。对DCX和PSA-NCAM的免疫组织化学分析显示，这些年轻Cth^?/?小鼠的神经发生水平正常，排除了6月龄小鼠产后神经发生缺陷是发育性原因所致。因此，Cth^?/?小鼠过早地表现出年龄依赖性的产后神经发生下降。

CSE Deficiency Dysregulates Neurogenic Signaling.

与神经发生减少一致，通过通路聚焦的PCR阵列评估发现，Cth^?/?小鼠大脑中多种神经营养因子和神经发生调节基因的水平降低。这些基因包括Neurogenin-2（Neurog2）、achaete-scute homolog 1（Ascl1）、脑源性神经营养因子（Bdnf）、cAMP反应元件结合蛋白（Creb）和神经营养因子-3（Ntf3），这种模式与衰老和AD中观察到的模式相似。相反，负向调节神经发生的转录因子配对盒基因3（Pax3）和在人类AD中升高的C-X-C基序趋化因子配体1（Cxcl1）在Cth^?/?小鼠中表达增加，反映了神经发生失调。为了进一步评估CSE缺失削弱神经发生和认知功能的机制，研究人员检测了参与该过程的关键信号蛋白。转录因子CREB在学习、记忆和突触可塑性中起核心作用。CREB的活性通过磷酸化调节，这是AD中受损的过程。对缺乏CSE的小鼠海马裂解液中CREB的分析显示，其丝氨酸133（Ser133）位点的磷酸化降低。此外，参与突触可塑性的关键调节因子BDNF的水平也出现失调，成熟BDNF（mBDNF）的水平在Cth^?/?小鼠海马中发生改变。这些变化表明与神经发生减少相关的记忆相关信号通路受到多层级破坏。

Discussion

CSE是哺乳动物中负责H₂S生成的三个主要酶之一。历史上，CBS被认为是大脑中H₂S的主要来源，而CSE的贡献被认为很小。本研究结合 unbiased proteomics、生化测定、组织学和行为学测试，定义了CSE缺失对大脑的影响。CSE缺失产生了一系列与神经退行性变相关的病理变化，包括显著增加的氧化损伤、 elevated DNA damage 和 iron deposition。蛋白质组学和生化数据表明氧化还原稳态和铁处理通路紊乱。CSE缺陷最显著的后果之一是血脑屏障（BBB）的恶化。TEM揭示了Cth^?/?小鼠海马毛细血管的内皮细胞断裂和星形胶质细胞终足损伤。CSE缺陷还会损害产后海马神经发生。在分子水平上，CSE缺陷破坏了参与神经发生和突触可塑性的关键通路。CREB磷酸化（记忆相关基因转录的关键步骤）受损，同时BDNF的产生减少。BBB崩溃、神经发生受损和信号级联中断的累积影响表现为Cth^?/?小鼠的认知缺陷。这些发现将CSE确立为大脑稳态的核心调节因子，并表明恢复CSE活性或下游H₂S信号传导可能是保护神经血管完整性、支持神经发生和减轻衰老及神经退行性疾病中认知能力下降的治疗策略。